Що таке бозон Хіггса і кому він потрібен?

4 липня 2012 року було офіційно оголошено, що експерименти з пошуку бозона Хіггса на Великому адронному колайдері (БАК) з дуже високим ступенем ймовірності увінчалися успіхом.

Навіщо фізикам взагалі знадобився цей бозон? Симетрії Стандартної моделі (див. «ПМ» № 3'2012) забороняють елементарним частинкам мати ненульові маси. Проблему можна обійти, якщо припустити, що весь простір заповнений особливого роду полем, яке порушує ці симетрії і надає масу всім частинкам, за винятком фотона, глюону і, можливо, нейтрино.

За традицією, закладеною 1966 року американським фізиком Бенджаміном Лі, його називають полем Хіггса. У ДВ фігурує чотири хіггсовські поля і, відповідно, чотири скалярні бозони, три з яких не мають маси. Вони наділяють масою векторні бозони W +, W- і Z, але самі при цьому зникають. А ось масивний квант четвертого поля, який може з'являтися в результаті зіткнення частинок високих енергій, на дуже короткий час виникає в якості самостійної частинки. Він-то і є бозон Хіггса, або просто хіггс.

Планетарний масштаб

Для запису всіх слідів одного міжпротонного зіткнення потрібно не менше мегабайта, а весь потік «сирих» даних від детекторів БАК становить 300 Гбайт/с. Надлишкова
інформація відсіюється за допомогою дворівневої системи комп'ютерної фільтрації, так що потік даних вдається знизити до «скромних» 300 Мбайт/с. Річний
обсяг записуваних даних з детекторів БАК в 2010 році склав близько 13 петабайт, до 2012 року ця цифра збільшилася до 25 петабайт.
Ці дані передаються в інформаційну мережу Worldwide LHC Computer Grid, що об'єднує понад 170 обчислювальних центрів у 36 країнах світу. Ця мережа дозволяє вченим всього світу аналізувати десятки петабайт інформації про 300 трильйонів зіткнень на БАК.Научно-інженерні
команди кожного з детекторів ATLAS і CMS налічують більш ніж 3000 фахівців з 40 з гаком країн світу.

Загін для бозона

Теорія не дає можливості визначити масу хіггсовського бозону - це можна зробити тільки експериментально. Довгий час не вдавалося зробити навіть приблизних оцінок цієї маси, була відома лише її верхня межа - приблизно 1000 ГЕВ.

СМ дозволяє обчислити ймовірності різних способів (каналів) народження і розпаду хіггса в експериментах на прискорювачах. Однак результати цих обчислень сильно залежать від його маси, яка спочатку невідома. З іншого боку, необхідні хоча б гіпотетичні значення цих ймовірностей, інакше сліди розпадів просто потонуть у великій безлічі інших подій, що прямують за зіткненнями високоенергетичних частинок. Тому задовго до початку експериментів на прискорювачах теоретики обрахували ймовірності різних процесів народження і розпаду хіггса. Перша така робота була опублікована ще в 1975 році, хоча її автори розглядали процеси, характерні для маси бозона 10 ГЕВ (можливості прискорювачів в той час були обмежені).

Але з початку 1990-х років, коли почалося справжнє полювання на невловиму частинку, фізики поступово стали обгороджувати червоними прапорцями області мас, де хіггса бути не може. З 1989 по 2000 рік в ЦЕРНі функціонував Великий електрон-позитронний колайдер (LEP), для якого був споруджений підземний круговий 27-км тунель (зараз там знаходиться головне кільце БАК). Енергію зіткнення частинок в LEP, яка спочатку не перевищувала 90 ГЕВ, з часом вдалося збільшити більш ніж удвічі. Аналіз експериментів LEP показав, що маса хіггса не може бути менше 114,4 ГЕВ. З 2007 по 2011 рік його шукали на американському протон-антипротонному прискорювачі Tevatron, що ще більше звузило (правда, статистично не надто достовірно) діапазон мас хіггса - до 115 − 135 ГЕВ. Оприлюднені наприкінці 2011 року результати експериментів на БАК дозволили припустити, що маса хіггса знаходиться точно в середині цього інтервалу, в проміжку між 124 і 126 ГЕВ. Тому експериментальні дані 2012 року обраховували на основі допущення, що вона становить 125 ГЕВ.

Протонна збірка

На відміну від LEP і Tevatron, де стикаються частинки і античастинки, БАК оперує тільки протонами. У 2010 - 2011 роках їх енергія становила 3,5 ГЕВ, а в 2012 році зросла до 4 ТЕВ. У лютому цього року БАК закрили до 2016 року на модернізацію, по завершенні якої енергію частинок у кожному пучку доведуть до 7 ТЕВ (отже, сумарна енергія становитиме 14 ТЕВ), а також збільшать частоту зіткнень (світність колайдера).

У процесі пошуку бозона Хіггса в колайдері одночасно крутилися 500 трлн протонів, згрупованих приблизно в 2800 згустків (банчів). Пошук вели на головних детекторних комплексах колайдера ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) і CMS (Compact Muon Solenoid). У детекторах керуючі електромагнітні поля зводять протони з паралельних траєкторій і направляють назустріч один одному. Хоча в зіткненні двох банчів і беруть участь сотні мільярдів частинок, в 2011 році середня кількість міжпротонних співударінь на один такий контакт не перевищувала десятка, а в 2012-му збільшилася до двадцяти. Але оскільки банчі перетиналися 20 млн разів на секунду, то сумарна кількість щомиті зіткнень вимірювалася сотнями мільйонів. Лобовий удар двох протонів (які складаються з кварків і антикварків, скріплених глюонним полем), розігнаних майже до світлової швидкості, породжує безліч вторинних частинок, серед яких можуть зустрітися і хіггси.

Комплекси ATLAS і CMS містять трекові детектори, що визначають траєкторію частинок, і електромагнітний калориметр для вимірювання енергії фотонів, електронів і позитронів. Енергії адронів вимірюються за допомогою адронного калориметра, мюонів - мюонного спектрометра. Нейтрино вислизають з усіх детекторів, але забирають з собою частину сумарного імпульсу.

Відбитки пальців

Бозон Хіггса не тільки важко виготовити - його дуже нелегко виявити. Час його життя, згідно з ДВ, становить 1,6 х 10 − 22 с, а відстань між точками його виникнення і зникнення не перевищує декількох десятків фемтометрів. І хоча детектори БАК - диво вимірювальної техніки, настільки короткі дистанції вони виміряти не в змозі. Тому бозон Хіггса можна виявити виключно по продуктах його розпаду.